论文电子式单相复费率电能表毕业论文.doc

目 录摘要IABSTRACTI第1章 绪论2第2章 总体方案设计32.1 设计要求32.2 系统的基本方案32.3 系统的方案与选择3第3章 系统硬件设计与实现53.1电能计量部分53.2 直流稳压电源的设计 73.3 前端电路调理模块的设计83.4 电能表测量模块的设计103.5 通讯模块的设计113.6 液晶显示的设计133.7 键盘的设计143.8 其他模块设计14第4章 系统软件设计194.1主程序流程图204.2系统初始化子程序204.3 系统子程序模块20第5章 系统调试225.1软、硬件调试225.2功能测试235.3 系统整体电路图255.4 误差分析及改进措施27总结28参考文献29致谢辞30第1章 绪论1.1 电能表的发展概况作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程:由最初的感应电能表,发展到后来的感应系脉冲电能表,直至现在的纯电子式电能表。感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件,由光电传感器完成电能脉冲转换,然后经电子电路对脉冲进行处理,从而实现对电能的测量。纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量,所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器,根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。 随着电能管理的现代化,需要访问电能表很多信息,同时决策还要与电能表进行双向通讯 ,由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心,所以功能容易扩展,易和配电自动化系统集成,因此本文设计了一种基于电能计量芯片CS5460A的电子式电能表,CS5460A 是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片,极易与微处理器连接。1.2设计概况本设计在参阅了大量前人设计的电子式电能表的基础上，利用单片机技术结合电能表芯片CS5460A构建了一个单相电子式电能表。本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，然后详细介绍了单相电子式电能表的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。第2章 总体方案设计2.1 设计功能要求设计制作一只交流电能表表，设计的主要要求如下：（1）电表参数：额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：99999.99Kw.h；（2）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；（3）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；（4）可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；（5）电量脉冲输出；（6）停电不丢失电能数据；2.2 系统的基本方案该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、MCU模块、电能表芯片CS5460模块、时钟模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。前端电路调理模块采用变比1：1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1 的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由CIRRUS LOGIC 公司生产的电能表芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经CS5460A转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机AT89S52，AT89S52组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用OCMJ4X8CM液晶模块，液晶正常显示当前测量的电能值、日期、时间，可通过键盘控制显示电压、电流有效值、功率等；通讯模块采用PTR2000与Max202芯片实现电能表与PC机之间的通信。并接受PC上位机同步控制并与其通信，时钟模块采用DLS1302芯片，为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础，存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。系统硬件框图如图2-1所示：2.3系统方案与选择方案一：采用A/D转换芯片分别对电压、电流回路采样，然后送给单片机，经单片机计算，算出电能、功率等电量。该方案电路设计较麻烦，并且容易受外部干扰，准确度低，并且编程较麻烦。方案二：采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电能等电量的采集和测量。CS5460A 是Crystal 公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片, 是CS5460 的增强版, 精度高、性能强且成本低。CS5460A 包含两个模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS ，用于研制开发单电流型电压互感器电压信号电流互感器电流信号流/压变换电路CS5460AT89S52KeyLCDPc机图 2-1多功能电能表硬件框图DS1302AT24C16相2 线或3 线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A 能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A 从一个外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A 工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。第3章 系统硬件设计与实现3.1 电能计量部分3.1.1 CS5460基本结构及功能CS5460A的内部组成模块如下： 一个电流通道可编程增益放大器其增益为10和50可选一个电压通道固定增益放大器，其增益为10两个同时采样的AD模数转换器两个高速数字滤波器两个可选用的高通滤波器一个功率计算引擎一个片内电压基准一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器 一个持续监视串口通讯的看门狗 一个可选的内部时钟发生器 一个双向串行接口 一个电能、脉冲变换器 一个校准用SRAM3.1.2 主 要 特 性（1）在片计算和处理功能；（2）可以从串行E2PROM 智能“自引导”,不需要微控制器,具有电能-脉冲转换功能；（3）具有AC或DC系统校准功能；（4）具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写；（5）看门狗定时器；（6）片上 2.5 V 基准（6010-6/OC）,单电源 +5 V 或双向 2.5V10电源；（7）具有功率方向输出指示；（8）能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值，能完成电能/脉冲转换；（9）电能测量精度：0.1%；（10）具有相位补偿和系统校准功能；（11）具有机械计度器/步进电机驱动器；（12）内带电源监视器；（13）电能数据线性度：在1000 ：1 动态范围内线性度为 0.1%；（14）功率消耗12mW；（15）电源配置： VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V图2-2 CS5460内部结构图3.1.3 操作时序 CS5460A串行口包括4条控制线：串行时钟（SCLK）、串行数据输入（SDI）、串行数据输出（SDO）和片选（CS），器读写时序如图2-3所示：CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓存区，写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。内部寄存器用于控制ADC的功能，所有寄存器都是24位。上电复位后，串行状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令（输入串口的前8为数据）。在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器执行系统操作或从内部寄存器输入输出数据。当启动了读命令，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO脚上的寄存器内容的转移（从高位开始）。寄存器读指令可以终止在8 位的边界上（例如，读出时可只读8，16或24位）。同样，数据寄存器读出允许采用“命令链”。 因此读寄存器时，微控制器可同时发送新指令，新指令将被立即执行，并可能终止读操作。例如，命令字送入状态机读取某一输出寄存器，进行了16 个连续的读图2-3 CS5460A操作时序图数据串行时钟脉冲后，执行写命令字（如状态寄存器清零命令），数据从SDI 引脚输入，同时剩下的8 位读出数据被传送到SDO 引脚。又如，用户仅需从读操作中获取16位有效位时，可在SDO读出8位数据后从SDI输入第二个读命令。在读周期，当从SDO 引脚输出数据时，必须用SYNC0指令（NOP ）使SDI 引脚处于选通态。3.2直流稳压电源的设计电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。自制电源原理如图3-1所示：图3-1 +5V直流电源的设计3.3 前端电路调理模块的设计3.3.1电压调理部分 方案一：采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成CS5460A能接收的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现芯片与电网的隔离，故不采用。方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片可以就收的电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了芯片与电网的隔离，保证了芯片的安全，故本设计采用此方案。对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图2-2所示。系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。3.3.2电流调理部分 电流调理部分采用变比2000：1 的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。而CS5460A 具有相位补偿功能（可进行-2.4至+2.5的相位补偿，步进0.34），可以大大减小互感器角差的影响。图2-2 前端调理电路。3.4 电能测量模块的设计经调理电路调理的电压信号、电流信号通过IIN+、IIN-、VIN+、VIN-接口送入电能表芯片CS5460，芯片经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计数寄存器内设定的计数周期计算出电能值、电流有效值、电压有效值，并将其存入相应的寄存器中，然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值、电压有效值、电流有效值读出，并送予液晶显示。CS5460也可将电能转化成与电能成正比的脉冲，由EOUT口输出，以便于电能表的检定。CS5460与单片机的连接图如图3-2所示：3.5 通讯模块的设计Max202是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS-232C标准的芯片。Max232芯片起电平转换的功能,使单片机的TTL电平与PC的RS-232C电平达到匹配。串口通信的RS-232C接口采用9针串口DB9,串口传输数据只要将两个串口的“发送数据”与“接收数据”交叉连接，再加上信号地线就能实现。串口通信又分查询和中断两种方式，在本系统中，通讯数据不固定，数据量大，所以采用中断方式进行通讯,具体电路图3-3所示：图3-2 CS5460A与单片机连接图 图3-3 通讯模块硬件接线图在设计中,使用的是12MHz晶振，以定时器T1的方式1制定波特率，此时定时器T1相当于一个16位的计数器,其波特率计算公式如下:方式1的波特率=定时器T1的溢出率 （1）定时器T1的溢出率计算公式为：定时器T1的溢出率= （2）3.6 液晶显示的设计由于本设计显示的参数较多，显示部分采用SYB12864KZK液晶显示模块。SYB12864KZ液晶示模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM (CGROM)总共提供8192个中文字型(16x16 点阵)，16K-位半宽字型ROM (HCGROM)总共提供126 个符号字型(16x8点阵)，64 x 16-位字型产生RAM (CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（Display clear）、光标归位（Return home）、显示打开/关闭（Display on/off）、光标显示/隐 藏 （Cursor on/off）、显示字符闪烁（Display character blink）、光标移位（Cursor shift）、显示移位（Display shift）、垂直画面卷动（Vertical line scroll ）、反白显示（By_line reverse display）、待命模式（Standby mode）。 主要参数： 1、工作电压(VDD):4.55.5V 2、逻辑电平:2.75.5V 3、LCD 驱动电压(Vo):07V 4、工作温度(Ta):055(常温)/-2075（宽温）保存温度(Tstg):-1065(常温)/-3085(宽温) 本液晶不仅可以显示汉字，而且可以显示多行，可以同时显示多测量量，便于观看和读取；还可以串行通信，占用I/O口少，便于控制。本设计采用液晶的串行接口，单片机通过液晶的串行口SIO向液晶寄存器写命令，进而实现对液晶显示的控制。其与单片机的连接图如图3-4：图3-4 显示电路3.7 键盘的设计 键盘用四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘，四个按键分别与单片机的平P2.4、 P2.5、 P2.6、 P2.7口连接，当键盘被按下后相应口被拉低为低电平，进而实现对单片机的控制。连接图如图3-5： 图3-5键盘 3.8其他模块部分设计选择3.8.1主控芯片电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。本系统采用AT89S52单片机实现，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，具有双工UART串行通道，可实现ISP在线编程功能，内部集成了看门狗定时器、双数据指针、全新的加密运算，使程序的保密性增强，兼容性强，软硬件调试方便。内部RAM和ROM可满足逻辑控制和算数运算。因此，使用该MCU作为主控芯片可以方便的设计电路。3.8.2 通信模块 短距离无线传输具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的实际需求，短距离无线通信逐渐引起广泛关注。常见的短距离无线通信有基于80211的无线局域网WLAN、蓝牙(blueTooth)、HomeRF及欧洲的HiperLAN(高性能无线局域网)，但其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂，需专门的开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高。因此这些技术在嵌入式系统中并未得到广泛应用。普通RF产品不存在这些问题，且短距离无线数据传输技术成熟，功能简单、携带方便，使其在嵌入式短程无线产品中得到了广泛应用。1 PTR2000引脚简介及设计11 PTR2000器件引脚功能 PTR2000是基于nRF401器件的无线数据传输模块，采用低发射频率、高灵敏度设计。该器件使用433 MHz频段，是真正的单片UHF无线收发一体器件，其工作模式包括工作频道的设置和发送、接收、待机状态，由TXEN、CS、PWM 3个引脚共同决定，其工作模式设置如表1所示。12 PrR2000模块设计 该器件外围的主要电路有以下两个： (1)与单片机的连接电路单片机AT89C52的RXD和TXD引脚与PTR2000模块的DO和DI引脚直接相连。PTR2000的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连。 (2)与PC机的连接电路采用MAX202器件对PTR2000模块和计算机串口进行RS-232和TTL电平转换，将PTR2000与MAX202的输入和输出信号连接，转换后的信号与计算机的串口连接。2 硬件设计 在无法使用有线传输的场合，采用无线数据传输模块和单片机相结合进行数据传输是较合理的方案。PTR2000利用串口进行数据传输，而单片机和PC机均带有串口，因此，可利用PTR2000作为单片机和PC机之间数据传输的无线接口，其硬件结构框图如图1所示。 该采集系统主要以AT89C52单片机为控制处理核心。由它完成对数据的采集处理以及控制数据的无线传输。AT89C52单片机具有快速8051内核、8 KB Flash E2PROM、256字节RAM。为实现无线数据传输，采用无限收发一体数据传送MODEM模块PTR2000器件，该器件内部集成高频接收、PLL合成、PSK调制解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，完全符合无线数据通信的硬件要求。为降低成本，在最小硬件设计的基础上，利用C51高级C语言编程，系统的功能尽可能用软件程序实现。 PTR2000与pc机的发射原理2.1 单片机与PTR2000接口电路的设计 在上图中，AT89C52单片机主要完成数据的采集和处理，向PTR2000模块发送数据，并接收由PC机通过PTR2000传送的数据。和单片机相连的PTR2000模块主要将单片机的待传数据调制成射频信号，再发送到PC机端的PTR2000模块，同时接收PC机端的PTR2000模块传送的射频信号，并调制成单片机可识别的TTL信号送至单片机。单片机的RXD和TXD引脚分别和PTR2000的DO和DI引脚连接，实现串行数据传输；决定PTR2000模块工作模式的TXEN、CS、PWR 3个引脚分别和单片机IO控制口的P20P22相连，PTR2000工作时，由单片机中的运行控制程序实时控制其工作模式。2.2 PC机与PTR2000接口电路的设计 该接口电路设计首先需进行电平转换。PC机的串口支持RS-232标准，而PTR2000模块支持TTL电平，选择MAX232器件进行两者间的电平转换，接口电路如图3所示。PTR2000模块进行串行输入、输出，引脚DI、DO通过电平转换器件和PC机串口相连；PTR2000的低功耗控制引脚。PWR接高电平VCC，即PTR2000固定工作在正常工作状态；频道选择引脚CS接GND低电平，即采用固定通信频道1，固定工作在43392 MHz；PC机串口的RTS信号控制TXEN引脚，以决定PTR2000模块何时为接收和发射状态。PC机和串口的传输速率设定为9 600 bs，和单片机保持一致。 PTR2000与pc机的接收原理3.8.3时钟模块时钟模块采用DALLAS 公司推出的DS1302 。它内部含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒分、时、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式，。DS1302 与单片机之间能简单 图2-4 1302管脚图地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1 RES 复位，2 I/O 数据线，3 SCLK串行时钟时钟，RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信，DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW，DS1302 是由DS1202 改进而来增加了 以下的特性，双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器，它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域，其管脚功能图如图2-4所示。 3.8.4存储部分存储部分采用AT24C16存储芯片，其具有以下特性特性：* 与400KHz I2C 总线兼容* 1.8 到6.0 伏工作电压范围* 低功耗CMOS 技术* 写保护功能当WP 为高电平时进入写保护状态* 页写缓冲器* 自定时擦写周期* 1,000,000 编程/擦除周期 图2-5 AT24C16引脚图* 可保存数据100 年* 8 脚DIP SOIC 或TSSOP 封装 * 温度范围商业级工业级和汽车级AT24C16支持C总线数据传送协议,I2C总线协议规定,任何将数据传送到总线的器件作为发送器,任何从总线接收数据的器件为接收器,数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的,主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16将非常的合适。第4章 系统软件设计在单片机测量系统中，软件的重要性与硬件同等重要。硬件是躯体，软件是灵魂，但系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，而且软件的设计很大程度上决定了系统的性能。本系统的软件设计是在Keil ULINK的软件环境下采用C语言编程和调试的，Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料，应用十分广泛，而C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，两者的完美结合，很好的实现了软件功能。4.1 主流程图为了实现电能表的功能,软件可划分为:功能操作模块及系统参数自校正模块。系统功能操作模块的主要功能为:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。因此该功能模块为该电能表的核心部分。其工作流程图如图4 -1所示。其中系统参数包括波特率、电能常数等,相应的初始化流程包括初始化GPIB 地址及波特率,初始化系统电能常数,初始化电流偏置系数,初始化电压偏置系数,初始化功率系数。设置GPIB 地址对于单个的电能表没有意义,该电能表用于电能管理系统中时,GPIB 地址特别重要,是本电能表区别于其他电能表的标志。系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。主功能管理模块主要包括电能检定功能模块、电量测量功能模块、背景光开关功能模块、系统参数设置模块及日历时钟显示功能模块。其中电能检定功能模块主要用于送检,处于该状态时,电表把所测电能通过脉冲口输出,以便和标准表比较。4.2.系统初始化系统开始运行后，初始化程序将采集数据存放单元清0，将液晶显示数据存放单元清0,设置串口通信波特率为9600bit/s，并设置中断向量，初始化由边沿触发的外部中断0。4.3系统子程序模块4.3.1系统参数自校正模块系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。其过程为：给输入通道加满量程信号，观察显示值，然后根据显示值通过键盘调整芯片内电压、电流、功率、等寄存器的参数，从而实现对系统参数进行校准，校准后将系统参数保存，以确保系统的精确测量。其流程图如图4-2所示：MCU初始化硬件初始化软件工作变量初始化各模块初始化系统参数是否初始化ABBA主功能模块系统参数自校正模块初始化系统参数是否进入系统参数自校正NYYNNYY图4-1电能表软件流程图满量程信号显示是否正确保存系统参数键盘调整测量显示NY图4-2 系统参数校准流程图4.3.2电量测量功能模块CS5460A测量程序用来控制CS5460A对模拟输入电量的测量、转换和计算，并将相应的测量量，如：瞬时功率、电压有效值、电流有效值读取到单片机相应的寄存器中，然后单片机根据系统程序和键盘命令进行调用、输出、显示。其流程图如图4-3：4.3.3电能检定功能模块通过键盘设定系统为电能表鉴定模式，使电能表ETUO端输出脉冲通入电能表鉴定装置进行电能表鉴定。流程图如图4-4：芯片采样计算存入相应寄存器键盘控制读取显示液晶显示图4-3测量流程图系统初始化进入测量模式键盘命令电能表鉴定模式采样计算输出脉冲Y图4-4 电能表鉴定模式第5章 系统调试根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试后，再进行联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部电路正常工作后，再与硬件系统联调。5.1软硬件调试5.1.1 硬件调试硬件调试，查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或短路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。5.1.2 软件调试本系统的软件调试因AT89S52核心模块的使用而变得相对容易，keilc软件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接下载到单片机中进行调试。5.1.3 软硬联调在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，调通液晶显示模块，接着给芯片CS5460A的电压通道和电流通道通入满量程信号，根据液晶显示对芯片内的校准寄存器进行设置，进而对测量进行校准调试。调好后，即该芯片能正常工作后，再通以交流市电进行进一步校准调试。然后再调通讯模块，等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。系统整体电路图5-1所示：5.2功能测试完成了整体调试后，对本设计进行功能测试，为了检验其精度,采用人工方法对其进行了检定,采用的装置有:深圳科陆公司生产的CL311 多功能标准表,准确度是0. 05 级;深圳科陆公司生产的CL302 多功能电测产品检定装置,额定电压是220V ,标称电流是10A。实验测得数据如表1 所示:表5-1电能表测试数据(cos= 0. 5)电流U（V）I（A）P（W）2A实际表220.2842.0012221.687标准表220.2632.00189221.776误差0.0953%0.03447%0.04013%4A实际表220.2844. 0074442. 61标准表220. 268 4. 01001442. 806误差0. 00726 % 0. 06509 %0.04426 %6A实际表220. 273 6. 0064662. 884标准表220. 263 6. 008663误差0. 00454 % 0. 02663 %0. 01750 %8A实际表220. 278 8. 0102883. 191标准表220. 271 8. 0104883. 48误差0. 00318 %0. 00250 %0. 03271 %10A实际表220. 281 10. 00991103. 252标准表220. 269 10. 00951103. 46误差0. 00545 % 0. 00400 %0. 01885 %12A实际表220. 28 12. 01441323. 509标准表220. 265 12. 01461323. 84误差0. 00681 % 0. 00166 %0. 02500 % 图5-1 电源的结构原理图5.3 系统结构图图5-2系统整体电路图5.3误差的定性分析及改进措施由于器件精度的限制，前段调理电路很难做的十分精确，并且各种干扰对仪表的正常工作都是有害的，电子式表的设计中除含有随机误差外，信号线中电流产生的空间磁场，还有共模干扰，信号源中的谐波分量，本身固有的漂移和噪声引起的误差，为了有效地降低系统的误差，提高电子式电能表的精度，可同时采用硬件抗干扰和软件抗干扰技术。1.硬件抗干扰措施：1) 空间磁场、高次谐波、漂移和噪声引起的误差：可在电压信号进入采样芯片时先通过RC有源低通滤波器，滤除干扰，再送往测试端。2) 共模干扰：主要是数字地、模拟地的干扰，可将模拟地与数字地分开接地。尽管我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因错综复杂，且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此，往往在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段，软件抗干扰技术方法简单、灵活方便。1) 对于AD采样时的误差，可通过缩小点间隔，取N次采样的平均值。2) 针对前段调理电路很难做得十分精确的缺陷，可通过软件调整设置CS5460A芯片内部寄存器中的值来提高电能表的精确度。总结经过不断地努力，坚持不懈的调试，查找并解决设计中出现的问题，系统最终达到了基本的要求，能够实现对电能、电压有效值、电流有效值、及功率的测量，遗憾的是由于时间紧迫，后续的PC的通讯功能模块虽然硬件与软件设计准备工作已经做好也未能调试。串口通讯方面，传输距离增大，RS-232C就不能满足需求，可在后续的设计当中更换为RS-485，予以替代。系统参数自校正模块，校正时手动校正较麻烦，并且精度有限，可以通过编写系统参数自动校正程序，当系统打到系统参数自校正模式时，系统自动完成校正。而且设计的误差和精度方面受到各方面因素影响较大，系统的稳定性较差，有待于进一步的改进，还有很大的提升空间。参考文献:1张羽等. 单片机原理及应用 机械工业出版社 20073楼然苗.单片机课程设计指导 电子工业出版社 20074潘永雄新编单片机原理与应用M西安电子科技大学社 20035李莉等. C语言程序设计教程 科学出版社 20076北 高 智 电 子 有 限 公 司 .单相双向功率/电能IC .CS5460A7邓文,赵伟等.电能自动抄表技术及相关思考.电测与仪表J .2001.(1):58 .508赵伟,庞海波等.电能表技术的发展历程.电测与仪表J .1999.(6):47.55致谢辞转眼一个多月的毕业设计即将过去，在这一个多月的时间里我积极收集资料，认真消化、吸收，并积极向老师和同学请教，学到了很多东西，现在毕业设计已基本完成，在论文即将付梓之际,我首先要感谢我的指导老师王老师，他严谨求实的态度，一丝不苟、认真负责的工作作风都深深地感染和激励着我。从电子式电能表设计的前期的选题制定、中期的资料提供与思路指引、后期的修正，王老师都始终给予我细心的指导为我指点迷津，并且在论文的撰写过程中提出了许多宝贵的建议。两年来王老师在各方面都给与我极大的帮助，学生也借此机会向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时也感谢学校为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈